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周立功教授新書《面向AMetal框架與接口的編程（上）》，對AMetal框架進行了詳細介紹，通過閱讀這本書，你可以學到高度復用的軟件設計原則和面向接口編程的開發思想，聚焦自己的“核心域”，改變自己的編程思維，實現企業和個人的共同進步。

第四章為面向接口的編程，本文內容包括：4.4 事件驅動和4.5 鍵盤管理。

4.4 事件驅動

>>> 4.4.1 中斷與事件驅動

1. 中斷

到目前為止，幾乎所有的程序都依賴輪詢通信。那些代碼只是一遍一遍地巡檢外圍功能部件，并在需要的時候為外圍設備提供服務。可想而知，輪詢訪問不僅消耗了大量的 MCU資源，而且將導致非常不穩定的反應時間。

為了有效地解決上述可能導致整個系統癱瘓的問題，計算機專家提出了一種“實時”的解決方案，通過“中斷”使可預見的反應時間維持在幾微秒之內。所謂中斷是指當 MCU 正在處理某件事情的時候，外部發生的某一“事件”請求 MCU 迅速去處理，于是 MCU 暫時中止當前的工作，轉去處理所發生的事件。當中斷服務處理完該事件以后，再回到原來被中止的地方繼續原來的工作。

但也有可能突發事務請求中斷時，可能出現在正常程序流程的任何地方，在正常程序流程中可以選擇響應或不響應這個中斷請求，突發事件的處理可能會改變整個程序的狀態，從而也改變了后續的正常程序流程。

比如，在一次會議上你正在按照計劃做報告，這時手機鈴聲響了，此時，你有兩種選擇，一是你覺得正在進行的報告更重要，你可以掛斷電話或干脆關機，等會后再去處理這個來電；二是你認為這個電話很重要或很快就可處理完畢（不影響做報告），你可以暫停報告轉而接聽這個電話，當接聽完畢后，你再繼續做報告，前提是你必須記住接電話前講到哪里了，當然如果你足夠機敏的話，在這次通話中你所接收到的信息可能會改變你隨后的報告內容。

由此可見，通過中斷方式允許系統在執行主程序時可以響應并處理其它任務，進而中斷驅動系統給人們一種假象，MCU 可以同時執行多個任務。而事實上 MCU 不能同時執行 1條以上的指令，它只是暫停主程序轉去執行其它程序，完成后再返回繼續執行主程序。

從這個角度來看，中斷響應非常類似于函數的調用過程。它們兩者之間的差別在于中斷的響應是由“事件”發起的，而不像函數調用那樣，它是在主程序流程中預先設定的，中斷是系統響應一些和主程序異步事件，這些事件何時將主程序中斷是預先未知的。有了中斷就可以實現主機與外設并行工作，支持多程序并發運行，支持實時處理功能。

2. 事件驅動

在現實生活中，“發生的某件事情”就是事件，事實上很多程序都對“發生的事情”做出反應。比如，移動或點擊鼠標、按鍵、或經過一定的時間都是基于事件的驅動程序。

事件驅動程序只是“原地不動”，什么也不做，等待有事件發生，一旦事件確實發生了，它們就會做出反應，完成所有必要的工作來處理這個事件。其實，Windows 操作系統就是事件驅動程序的一個很好的示例，當啟動計算機運行 Windows 時，它只是“原地不動”，不會啟動任何程序，你也不會看到鼠標光標在屏幕上移動。不過，如果你開始移動或點擊鼠標，就會有情況發生。

為了讓事件驅動程序“看到”有事件發生，它必須“尋找”這些事件，程序必須不斷地掃描計算機內存中用于事件發生的部分，即只要程序在運行就會不斷尋找事件。顯然，只要移動或點擊了鼠標或按下了按鍵，就會發生事件，這些事件在哪里呢？比如，在內存中存儲事件的部分就是事件隊列，事件隊列就是發生的所有事件的列表，這些事件按它們發生的順序排列。

如果需要編寫一個游戲，則程序必須知道用戶什么時候按下一個按鍵或移動了鼠標。而這些按鍵動作、點擊或移動鼠標都是事件，而且程序必須知道如何應對這些事件，它必須處理事件，程序中處理某個事件的部分稱為事件處理器。而事實上并不是發生的每一個事件都要處理，比如，在桌面移動鼠標就會產生成百上千個事件，因為事件循環運行得非常快。每一個瞬間即使鼠標只是移動了一點點，也會生成一個新的事件。不過你的程序可能并不關心鼠標的每一個小小的移動，它可能只關心用戶什么時候點擊某個部分，因此你的程序可以忽略鼠標移動事件，只關注鼠標點擊事件。

事件驅動程序中，對于所關心的各種事件會有相應的事件處理器。如果你有一個游戲使用鍵盤上的方向來控制一艘船的移動，可能要為 keyDown 事件寫一個處理器；相反，如果使用鼠標控制這艘船，就可能為 mouseMove 事件寫一個事件處理器。

另一種有用的事件是軟件定時器事件，定時器會按設定的間隔生成事件，就像鬧鐘一樣，如果設定好鬧鐘，并將鬧鐘打開，每天它都會在固定的時刻響起來。比如，（宏觀上）同時處理兩個事件。其中，一個為鍵盤輸入事件，另一個為時間事件，用于顯示運行的時間，每秒顯示一次。

顯然，可以在 main()函數設置一個循環，依次檢查是否有鍵盤輸入和時間是否到 1 秒？其實都可以直接調用固定的函數來實現“鍵盤輸入處理代碼”和“時間處理代碼”，但這樣不夠靈活，此時可以用中斷機制來實現，即由硬件來實現對事件的檢測并調用指定的函數，這樣一來使用注冊回調函數機制也就成為了必然。而注冊回調函數就是事先用一個函數指針變量保存指定的函數，然后在事件發生時，通過這個函數指針變量調用指定的函數。

>>>4.4.2 軟件定時器

我們知道，數碼管顯示主要做兩件事，其一，每隔 5ms 調用一次 digitron_disp_scan()動態掃描顯示函數，其次，當需要改變顯示內容時，則調用緩沖區操作接口，修改緩沖區中的內容。由于 MCU 設計了類似于鬧鐘那樣的特定性的周期性的中斷時鐘節拍源，因此由時鐘節拍源實現的定時器也是一個周期性的定時器，并產生周期性的中斷，這個中斷可以看做系統心臟的脈動。即當計數值等于定時時間時，則定時器立即觸發中斷，計數器重新開始計數，如此周而復始循環計數。

顯然，可以使用定時器的周期性的中斷實現自動掃描顯示，即每隔 5ms 觸發中斷自動調用 digitron_disp_scan()，這樣就可以將 MCU 解放出來執行其它的任務，從而得到更好的性能，其相應的接口函數詳見表 4.3。程序員先調用軟件定時器函數，然后等待操作完成。通常程序員提供一個由函數指針指定的回調函數，當操作完成后，中斷系統會調用回調函數。

表 4.3 軟件定時器接口函數

1． am_softimer_t 類型

從面向對象的角度來看，類相當于 C 語言的結構體，這里的 am_softimer_t 是用 typedef自定義的一個對用戶隱藏的結構體類型。即：

在使用軟件定時器時，需要使用該類型定義一個軟件定時器實例（對象），實例的本質是定義一個結構體變量。比如：

顯然，對象是類型的實例，即 timer 是 am_softimer_t 類型的一個實例。

2．初始化軟件定時器

事先將指定的函數保存在函數指針 p_func 中（注冊），當定時時間到時，則通過 p_func調用指定的函數，即注冊函數回調機制。

其中的 p_timer 為使用 am_softimer_t 類型定義的軟件定時器實例，當定時時間到，則調用 p_func 指向的函數（注冊回調函數），am_pfnvoid_t 是 AMetal 聲明的函數指針類型，其定義（am_types.h）如下：

由此可見，p_func 指向的函數類型是無返回值，具有一個 void*型參數的函數。p_arg為用戶自定義的參數，在定時時間到調用回調函數時，會將此處設置的 p_arg 作為作為參數傳遞給回調函數；如果不使用此參數，則設置為 NULL。如果返回 AM_OK，說明軟件定時器初始化成功；如果返回-AM_EINVAL，說明由于參數錯誤導致初始化失敗。初始化函數的使用范例詳見程序清單 4.26。

程序清單 4.26 am_softimer_init ()函數范例程序

其中的 am_softtimer_init()函數（A）與用戶自定義的任務函數（C）同屬于上層模塊的函數，timer_callback()函數（B）為下層模塊的函數。由于事先已經將 timer_callback()的地址 time_callback 保存在 p_func 中了，因此，當 am_softtimer_init()調用 timer_callback()時，僅需將用戶自定義的任務函數的入口地址作為實參傳遞給 timer_callback()的形參，即可通過函數指針變量 p_arg 在某個時刻回調用戶自定義的任務函數，即在函數 A 調用函數 B 中直接調用回調函數 C。即只要在每次調用 timer_callback()時，給出不同的函數名作為實參，即可回調相應的函數，卻不必修改 timer_callback()。

3．啟動軟件定時器

啟動定時器并設置定時時間（單位 ms），然后定時器開始計數。當計數值等于定時時間時，則定時器立即觸發中斷，計數器重新開始計數，如此周而復始循環計數。當定時器觸發中斷時，則程序跳轉到調用 am_softimer_init()時 p_func 指向的函數，其函數原型為：

p_timer 為使用 am_softimer_t 類型定義的軟件定時器實例，ms 為定時時間，單位 ms。如果返回 AM_OK，說明啟動定時器成功；如果返回-AM_EINVAL，說明失敗參數錯誤。設置定時器以實現數碼管自動掃描顯示的代碼詳見程序清單 4.27。

程序清單 4.27 自動掃描顯示實現

程序中，digitron_softimer_set()函數初始化并啟動了一個軟件定時器，并在定時器回調函數中調用了數碼管掃描函數，進而實現了數碼管自動掃描。

為了更方便的使用自動掃描，可以將 digitron_softimer_set()合并到 digitron_init()中，形成一個新的 digitron_init_with_softimer()，當用戶需要數碼管初始化后自動掃描時，只需調用該帶軟件定時器的初始化函數即可，詳見程序清單 4.28。

程序清單 4.28 digitron1.h 文件內容

如程序清單 4.29 所示為再次迭代的 0~59 秒循環顯示程序。

程序清單 4.29 0~59 秒計數器范例程序（3）

既然程序是每隔 1s 計數器加 1 后更新緩沖區數據的，那么同樣可以使用軟件定時器實現每秒加 1 的操作，迭代后的代碼詳見程序清單 4.30。

程序清單 4.30 0~59 秒計數器范例程序（4）

當啟動軟件定時器后，秒計數器加1和更新緩沖區數據的工作自動在timer_sec_callback()函數中完成，不再需要主程序干預。現在 while(1)主循環什么事情都不用做，同樣實現了 0~59的循環顯示。這樣一來，數碼管就會獨立地工作了，那么在 while(1)主循環中，就可以直接去做其它事情。以后遇到“每隔一定時間做某件事”的問題，均可使用軟件定時器來實現。

雖然用軟件定時器實現自動掃描顯示的方法非常巧妙，流程也更加清晰，且程序還可以去做其它的事情，但卻是以犧牲程序空間為代價的，即軟件定時器要占用一個硬件定時器，以及 438 個字節的 Flash 和 12 個字節的 RAM。同時在使用軟件定時器時，由于新建一個軟件定時器必須定義一個定時器實例，每個定時器實例還要占用 24 字節，因此要根據硬件資源做出取舍。

4．關閉軟件定時器

當軟件定時器關閉時，如果再次啟動，則調用 am_softimer_start()重新啟動。即：

其中的 p_timer 為使用 am_softimer_t 類型定義的軟件定時器實例，如果返回 AM_OK，說明停止定時器；如果返回-AM_EINVAL，即參數錯誤導致關閉失敗，詳見程序清單 4.31。

程序清單 4.31 am_softimer_stop ()范例程序

現在不妨在程序清單 4.30 的基礎上，再增加一個小功能，即每秒加一、蜂鳴器“嘀”一聲，詳見程序清單 4.32。

程序清單 4.32 0~59 秒計數器+蜂鳴器綜合范例程序（1）

通過運行發現，雖然計數器在每秒加 1 時，蜂鳴器也會發出“嘀”的一聲，但數碼管的某位卻會熄滅一下。如果覺得看起來還不夠明顯，不妨將蜂鳴器的鳴叫時間增加到 500ms。奇怪！為何連顯示都不正常了呢？

雖然此前在 main()函數的 while(1)主循環中也使用了延時，但在主程序的延時期間，軟件定時器定時時間到而產生的中斷事件是可以搶占 MCU 的，所以不會影響其它事件的繼續運行。如果在中斷環境中調用 buzzer_beep()，程序必須等到蜂鳴器鳴叫結束后才會返回，這樣一來就會使回調函數產生 100ms 的延時，從而導致 MCU 被完全占用，不僅 while(1)主循環無法執行，而且連其它的中斷事件也無法執行。比如，另一個軟件定時器中的數碼管動態掃描也就無法執行了，所以在這 100ms 時間內，無法實現數碼管動態掃描，于是只有一個數碼管顯示，另外一個數碼管無法顯示而處于熄滅的狀態。

在這種情況下，應盡可能地將相應功能設計為異步模式，即啟動軟件定時器，設定蜂鳴器鳴叫時間，打開蜂鳴器，函數立即返回。待定時時間到，則自動調用回調函數，然后在回調函數中關閉蜂鳴器并停止定時器。這就是使用軟件定時器實現 buzzer_beep_async()的由來，異步模式的優點是無需等待，函數立即返回，即可在任意地方調用該函數了，再也不會因為

延時而帶來副作用，詳見程序清單 4.33。

程序清單 4.33 實現蜂鳴器異步鳴叫函數

基于此，將 buzzer_beep_async()添加到 buzzer.h 以利于復用，詳見程序清單 4.34。

程序清單 4.34 0~59 秒計數器+蜂鳴器綜合范例程序（2）

4.5 鍵盤管理

>>> 4.5.1 獨立按鍵

1．消抖方法

對于質量不太好或者長期使用簧片氧化磨損的按鍵來說，常常會產生一種被稱為“抖動”的現象。如圖 4.12(a)所示為單觸點按鍵的無消抖電路，當按鍵未按下時，則輸出 Y 為高電平；當按下時，則輸出 Y 為低電平。但由于按鍵的機械特性和人手指的不穩定性等綜合因素，致使按鍵盤剛按下的瞬間，因接觸不良而產生的反復跳動現象，即“抖動”，同樣在按鍵釋放的瞬間也可能產生“抖動”，結果輸出 Y 在這一瞬間產生了多個窄脈沖干擾，這些脈沖信號的寬度一般可達毫秒，詳見圖 4.12 (b)。

圖 4.12 無消抖按鍵電路及波形

“抖動”的脈沖寬度一般有幾十到幾百微秒，但也可能達到毫秒級，這對運行速度很快的數字電路會產生很大的影響。如果將發生“抖動”現象的按鍵連接到計數電路的時鐘輸入端，則檢測到每按一次鍵都會產生一串極不穩定的脈沖。

對實際的產品來說，按鍵在長時間的使用中永不產生“抖動”是不可能的，但只要預防可能產生的“抖動”即可。抖動其實只持續了一小段時間，軟件延時就是在按鍵產生“抖動”的這段時間里，用“拖延時間”的方法避開，從而消除因“抖動”而產生的錯誤信號，其示意圖詳見圖 4.13。在按下鍵的瞬間啟動定時器開始延時，延時 td 時間后再判斷按鍵是否仍然按下，若仍按下則本次按鍵有效，否則本次按鍵無效。延時消抖由于過程比較復雜，比較適合用軟件實現，因此稱為軟件消抖。

圖 4.13 延時消抖

2．電路原理

一般來說，在用法上按鍵可分為獨立按鍵和矩陣鍵盤兩大類。LPC824 的 P0_10、P0_11是標準的開漏結構，無內部上拉電阻，因此連接按鍵時必須加上拉電阻。其它的 14 個 GPIO口均有可編程使能的內部上拉電阻，雖然 MCU 內部有幾十 KΩ以上的上拉電阻，但均屬于弱上拉，所以在實際的應用中，一般都會外接一個阻值適中的上拉電阻，以提高可靠性。

對于獨立按鍵來說，要求比較簡單，既不考慮多個鍵同時按下，也不考慮長按的情況。僅識別是否有鍵按下的情況，即有鍵按下一次執行一次操作。如圖 4.14 所示是一個獨立按鍵電路圖，只要將 AM824-Core的 J14_1 與 J14_2 短接，則 KEY 鍵接入 PIO0_1。

圖 4.14 獨立按鍵電路圖

由于一次按鍵的時間通常都是上百毫秒，相對于 MCU 來說是很長的，因此不需要時時刻刻不斷地檢測按鍵，只需要每隔一定的時間（如 10ms）檢測 GPIO 的電平即可。其檢測方法如下（1 表示高電平、0 表示低電平）：

（1）當無鍵按下時，由于 PIO0_1 內部自帶弱上拉電阻，因此 PIO0_1 為 1；

（2）當 KEY 按下時，則 PIO0_1 為 0。在下一次掃描（延時 10ms 去抖動）后，如果PIO0_1 為 1，說明錯誤觸發；如果 PIO0_1 還是 0，說明確實有鍵按下，執行相應的操作；

（3）當 KEY 釋放時，則 PIO0_1 為 1，在下一次掃描（延時 10ms 去抖動）后，如果PIO0_1 為 0，說明錯誤觸發；如果 PIO0_1 還是 1，說明按鍵已經釋放，執行相應的操作。

3. Key 軟件包

AMetal 提供了獨立按鍵初始化和按鍵掃描函數接口（key1.h），詳見程序清單 4.35。

程序清單 4.35 key1.h 接口

如程序清單 4.36 所示為獨立按鍵的范例程序，如果有鍵按下，則蜂鳴器“嘀”一聲；當按鍵釋放后，則 LED0 翻轉。

程序清單 4.36 獨立按鍵范例程序

顯然，每隔 10ms 調用一次 key1_scan()，即可根據 key_return 的值判斷按鍵事件的產生，但這又是“每隔一段時間做某事”。如果使用軟件定時器定時自動掃描，則無需在 while(1)中每隔 10ms 調用一次 key1_scan()，詳見程序清單 4.37。

程序清單 4.37 添加軟件定時器后的按鍵范例程序

程序中新增了一個初始化軟件定時器 key1_softimer_set()，并啟動軟件定時器以 10ms的時間間隔，通過 key1_softimer_callback()回調 key1_scan()實現按鍵掃描。當按鍵事件發生（返回值不為 0xFF）時，則調用 key1_process()按鍵處理程序，根據掃描得到的返回值判斷按鍵事件的發生。在 key1_process()按鍵處理程序中，當有鍵按下時，蜂鳴器“嘀”一聲；當按鍵釋放時，LED0 翻轉。由于 key1_process()是在中斷環境的回調函數中調用的，因此不能出現阻塞式語句，必須調用異步模式下的 buzzer_beep_async()。

在這里，與軟件定時器相關的代碼直接放在主程序中，而在實際使用時，更希望將實現和聲明分別放在 key1.c 和 key1.h 中，因此需要增加一個接口函數：

雖然按鍵與數碼管都可以使用軟件定時器實現自動掃描，但它們之間卻存在一定的差異，數碼管只要自動掃描即可，但對于按鍵自動掃描，當掃描到按鍵事件發生時，還必須通知應用程序做相應的處理。而實際上在封裝模塊時，并不知道應用程序要做什么事，唯一的辦法是采用注冊回調機制。當按鍵事件發生時，調用相應的注冊函數。如果需要使用軟件定時器，則在初始化時注冊一個函數，以便按鍵事件發生時調用。定義回調函數類型為：

重新定義帶軟件定時器的初始化函數類型為：

為了便于使用，將上述函數聲明和回調函數類型定義添加到程序清單 4.38 所示的 key1.h中，其相關實現代碼添加到程序清單 4.39 所示的 key1.c 中。

程序清單 4.38 key1.h 文件內容

程序清單 4.39 新增使用軟件定時器自動掃描的程序（key1.c）

當有鍵按下時，則蜂鳴器“嘀”一聲；當按鍵釋放時，則 LED0 翻轉，經過迭代后的代碼詳見程序清單 4.40。

程序清單 4.40 使用軟件定時器自動進行按鍵掃描范例程序

>>> 4.5.2 矩陣鍵盤

獨立按鍵必須占用一個 I/O 口，當按鍵數目較多時，這種每個按鍵占用一個口的方法就顯得很浪費了。如何用盡可能少的 I/O 口去管理較多的按鍵呢？矩陣形式鍵盤電路就是使用最多的一種，如圖 4.15 所示就是一種典型的矩陣式 2×2 鍵盤電路。采用矩陣鍵盤方式進行排列，其中 KR0、KR1 為行線，KL0、KL1 為列線。

圖 4.15 2×2 矩陣鍵盤

該接法將口線分成行線（row）和列線（column），如果將它變成比較容易理解的拓撲結構，就是兩組垂直交叉的平行線，每個交叉點就是一個按鍵位置，按鍵的兩端分別接在行線和列線上。其最大優點是組合靈活，假如有16 個 I/O 可用于擴展做鍵盤電路，我們可以將它接成 6×10、5×11 或 8×8 等多種接法，當然，使用效率最高的是 8×8 的接法，它最多可實現 64 個按鍵。

MiniPort-Key 按鍵模塊集成了 4 個按鍵，通過 MiniPort B（排母）與 AM824-Core 相連，同時引出其余不用的 I/O，實現模塊的橫向堆疊，其對應 AM824-Core 的 MiniPort 接口的 J4的功能定義詳見圖 4.16。

圖 4.16 按鍵模塊實物與接口定義圖

2×2 的矩陣鍵盤共有 4 個按鍵，分別為 KEY0～KEY3。KR0、KR1 為行線（row），KL0、KL1 為列線（column）。假設選擇 KL0、KL1 為輸入，當無鍵按下時，由于內部弱上拉作用，此時讀取電平為高電平。當 KEY0 按下時，KL1 依然為高電平，而 KL0 在 KR0 輸出低電平時就會得到低電平。顯然，只有 KR0、KR1 輸出為低電平時，KL0、KL1 才能得到低電平，這就是逐行掃描鍵盤的方法，即行線為輸出，列線為輸入，每次掃描一行，掃描該行時，對應行線輸出為低電平，其余行線輸出為高電平，然后讀取所有列線的電平，若有列線讀到低電平，則表明該行與讀到低電平的列對應的交叉點有按鍵按下。逐列掃描法恰好相反，其列線為輸出，行線為輸入，但基本原理還是一樣的。AMetal 針對矩陣鍵盤提供了相應的 matrixkey.h 接口，詳見程序清單 4.41。

程序清單 4.41 matrixkey.h 接口

如程序清單4.42所示是使用上述接口的范例程序，即當有鍵按下時，蜂鳴器在發出“嘀”的一聲的同時，通過 LED0 和 LED1 的組合顯示按鍵編號。比如，KEY0 鍵按下時，兩個 LED燈均熄滅。KEY1 按下時顯示 01，即 LED0 亮，LED1 熄滅，依此類推。

程序清單 4.42 矩陣鍵盤范例程序

為了節省引腳，還可以將數碼管與矩陣鍵盤結合起來使用，如圖4.17 所示的數碼管的 2個 com 端與矩陣鍵盤的列線是復用的，PIO0_17與 PIO0_23 既是數碼管的 com0、com1，又是矩陣鍵盤的列線 KL0、KL1這樣設計反而節省了引腳。作為鍵盤掃描時需將列線配置為輸入，作為數碼管掃描時需將 com 端設置為輸出。